Thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ

Thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ Nguyễn Trọng Luân Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật Lí vô tuyến – điện tử; Mã số: 60.44.03 Người hướng dẫn: PSG.TS. Phạm Quốc Triệu Năm bảo vệ: 2012 Abstract: Nghiên cứu tổng quan về một số nguyên lí chuyển đổi tín hiệu điện – từ và về một số loại sensor đo từ trường. Nghiên cứu hoạt động, khảo sát các khối chức năng của thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ, do trường Đại học Khoa học Tự nhiên chế tạo. Đồng thời dùng thiết bị này đo đạc, đánh giá sự thăng giáng từ trường của Trái Đất. Nghiên cứu một số giải pháp làm giảm tạp nhiễu, nâng cao tỷ số S/N. Trong đó phương pháp xử lý tín hiệu bằng kỹ thuật Sampling and Hold (phương pháp Boxcar) được làm rõ. Mô phỏng hoạt động của một số khối chức năng trong thiết bị bằng phần mềm Matlab, Mô phỏng phương pháp Boxcar, đề xuất mạch Boxcar lấy mẫu tại hai thời điểm (Boxcar hai kênh). Keywords: Vật lý; Từ trường; Vô tuyến điện tử Content MỞ ĐẦU Từ trường nhỏ là thông số quan trọng trong nghiên cứu Vật lí. Vì vậy việc đo đạc và phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với đời sống. Việc phát hiện thăng giáng này cho phép đánh giá được ảnh hưởng của từ trường vũ trụ, Trái đất tới thời tiết và sức khỏe con người cũng như có thể giúp phát hiện các dòng điện, vật liệu từ tính cũng như các mỏ khoáng sản trong lòng đất…. Bản luận văn này khái quát nguyên lí hoạt động, sơ đồ các khối trong thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ, đưa ra một số giải pháp để nâng cao tỉ số S/N và tập trung vào tìm hiểu, mô phỏng “phương pháp nâng cao tỉ số S/N bằng phương pháp Boxcar” dùng phần mềm Matlab. Nội dung của bản luận văn nằm trong chương trình nghiên cứu của đề tài trọng điểm cấp ĐH Quốc Gia Hà Nội mã số QGTĐ.10.27 về nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ. CHƢƠNG 1 - NGUYÊN LÍ SENSOR PHÁT HIỆN TỪ TRƢỜNG 1.1 Một số nguyên lí vật lí chuyển đổi tín hiệu từ - điện 2 1.1.1 Hiệu ứng Hall Phát hiện vào năm 1880 bởi Edwin Hall, khi đặt một từ trường vuông góc với hướng của dòng điện trong kim loại hay chất bán dẫn thì xuất hiện một điện trường vuông góc với cả hướng của dòng điện và hướng của từ trường. Đây là một trong những hiệu ứng được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sensor. 1.1.2 Hiệu ứng Spin Hall Hiệu ứng Spin Hall (SHE-Spin Hall Effect) liên quan đến sự phát sinh dòng spin ngang với điện trường đặt vào vật liệu, dẫn đến sự gia tăng các spin không cân bằng trong hệ. Hiệu ứng này xuất hiện trong các vật liệu thuận từ là hệ quả của tương tác spin-quỹ đạo. Đó là lý thuyết được dự đoán vào năm 1971 bởi Yakonov và Perel. Sự phát sinh, lôi kéo và phát hiện điện tử spin- phân cực trong cấu trúc nano là một trong những thách thức của thuyết spin điện tử. Hiệu ứng này có tiềm năng to lớn trong việc sử dụng các cảm biến ứng dụng trong chuỗi từ nano hoặc film mỏng với chiều dày nano. 1.1.3 Hiệu ứng Faraday – Henry Định luật Faraday-Henry là định luật cơ bản của điện từ và phát biểu rằng một điện trường được tạo ra khi thay đổi một từ trường. Michael Faraday và Joseph Henry độc lập tìm ra hiện tượng điện từ. Các sensor và thiết bị âm thanh thời kỳ đầu (như micro-phones), đồng hồ đo dòng điện và điện thế tương tự, và rơle lưỡi gà sử dụng hiệu ứng này. 1.1.4 Hiệu ứng Barkhausen Năm 1919 Barkhausen thấy rằng khi đặt một từ trường liên tục tăng chậm vào vật liệu sắt từ thì nó sẽ bị từ hóa không liên tục mà theo từng bậc nhỏ. Những thay đổi đột ngột không liên tục trong sự từ hóa là kết quả của những thay đổi rời rạc cả trong kích cỡ và hướng của vùng sắt từ (hay cụm vi mô của nam châm nguyên tử sắp hàng) xuất hiện trong quá trình từ hóa hay khử từ liên tục. Hiệu ứng này thông thường làm giảm hoạt động của sensor từ nó xuất hiện như nhiễu bậc trong phép đo. Hiệu ứng này cũng quan sát được ở vật liệu sắt từ kích thước nano. 1.1.5 Hiệu ứng Nernist/Ettinghausen Nernst và Ettingshausen phát hiện ra một lực điện động được sinh ra dọc chất dẫn điện hay bán dẫn khi nó chịu tác dụng đồng thời của gradient nhiệt độ và trường từ. Hướng của lực này vuông góc cả với trường từ và gradient nhiệt độ. 1.1.6 Hiệu ứng từ trở Hiệu ứng từ trở là hiện tượng phụ thuộc điện trở của vật chất vào từ trường ngoài. Từ trường ngoài gây ra lực Lorentz tác động vào các hạt tải chuyển động trong vật liệu tùy thuộc 3 hướng của trường mà có thể gây ra cản trở đối với sự dịch chuyển của các hạt tải. Hiệu ứng này do Lord Kelvin phát hiện vào năm 1856. Hiệu ứng trở nên nổi bật khi tìm ra từ trở không đẳng hướng (AMR-Anisotropic Magnetoresistance) và từ trở khổng lồ (GMR-Giant Magnetoresistance ). 1.1.7 Hiệu ứng Dopper Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiều thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa thì tần số tín hiệu thu được giảm xuống. Đây là hiệu ứng Doppler. 1.2 Một số sensor đo từ trƣờng 1.2.1 Sensor hiệu ứng Hall Thiết bị sử dụng hiệu ứng Hall khá phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong đo đạc từ trường mạnh, nó dựa trên hiệu ứng Hall được Edwin H.Hall phát hiện ra vào năm 1897. Hiệu ứng Hall là một hệ quả của định luật lực Lorentz, một điện tích chuyển động q, đi qua một từ trường có cảm ứng từ B  , sẽ chịu tác dụng của lực F  , vector vận tốc v  của điện tích tuân theo phương trình:   F q E v B        (1.6) Thiết bị sử dụng hiệu ứng Hall bao gồm một vật dẫn hoặc bán dẫn phẳng mỏng hình chữ nhật với hai cặp điện cực. 1.2.2 Sensor proton precession Từ kế proton precession hoạt động dựa trên lý thuyết các hạt nhân chuyển động có cả momen góc L  và momen từ    sẽ tiến động trong từ trường giống như con quay hồi chuyển. Khi chất lỏng đạt đến trạng thái cân bằng từ, từ trường được ngắt ra và hạt nhân bắt đầu hồi chuyển xung quanh hướng của từ trường ngoài cho đến khi nó trở lại trạng thái ngẫu nhiên ban đầu. Quá trình kích thích-hồi phục này diễn ra trong thời gian vài giây. Benzence là hydrocacbon hay được sử dụng cho từ kế hồi chuyển. 1.2.3 Sensor bơm quang học Từ kế bơm quang học dựa trên hiệu ứng Zeeman. Hiệu ứng này thể hiện mạnh nhất ở các chất Rb, Li, Cs…. Hình 1.8 là cấu trúc phổ mở rộng electron hóa trị của Rb 85, nguyên tố sử dụng phổ biến trong từ kế bơm quang học. Mối tương quan năng lượng - tần số của những vạch phổ mở rộng tỷ lệ với cường độ từ trường ngoài. Số lượng tử từ m liên quan tới số momen góc và đặc biệt là độ lớn thành phần hữu dụng của momen từ dọc trường tác động. 4 1.2.4 Sensor SQUID Năm 1962 Brian D.Josephson dự đoán rằng dòng siêu dẫn có thể chạy qua hai chất siêu dẫn tách biệt nhau bởi một lớp cách điện mỏng. Độ lớn dòng siêu dẫn tới hạn qua chuyển tiếp Josephson bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của từ trường đây là nguyên lý cơ bản của từ kế SQUID (Superconducting quantum interference device). Từ kế chế tạo dựa trên thiết bị siêu dẫn lượng tử (SQUID) là thiết bị đo cường độ từ trường nhạy nhất hiện nay. 1.2.5 Sensor Fluxgate Từ kế fluxgate là thiết bị đo cường độ từ trường được sử dụng cả ở trên mặt đất và trong không gian. Nó ổn định, đáng tin cậy, kích thước nhỏ và yêu cầu rất ít năng lượng khi hoạt động. Những thuộc tính này cùng với khả năng đo vector của từ trường 0.1 nT đến 1 mT trong dải tần số từ dc đến một vài Hz đã khiến nó trở thành một thiết bị khá linh hoạt. Các nhà địa chất sử dụng chúng để thăm dò, các nhà địa vật lý sử dụng chúng để nghiên cứu trường địa từ (cỡ 20 μT đến 70 μT trên bề mặt Trái đất). Các kỹ sư vệ tinh sử dụng chúng để xác định và điều khiển tàu không gian, các nhà khoa học sử dụng chúng trong nghiên cứu, và quân đội sử dụng chúng cho rất nhiều mục đích bao gồm tìm kiếm mỏ, phát hiện thiết bị giao thông và nhận dạng mục tiêu. Một số fluxgate sensor Sau đây ta sẽ mô tả hoạt động của một sensor lõi tròn làm từ vật liệu sắt từ dễ bão hòa. Có hai cuộn dây quấn trên lõi, cuộn kích thích và cuộn tín hiệu, trục của hai cuộn dây trực giao nhau. Khi đưa dòng điện xoay chiều vào cuộn dây kích thích. Dòng điện sẽ tạo ra một từ trường lan truyền trong lõi từ. Từ trường này làm từ thông trong lõi bão hòa tuần hoàn theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ. Khi lõi chưa bão hòa thì nó có độ từ 5 thẩm lớn hơn rất nhiều so với 1. Theo định luật Faraday, từ thông thay đổi sẽ sản sinh ra điện thế tỷ lệ với sự thay đổi của từ thông ở hai đầu cuộn dây tín hiệu. Độ từ thẩm của lõi thay đổi từ thấp đến cao, tạo ra một xung điện thế có biên độ tỷ lệ với độ lớn của từ trường ngoài ở đầu ra của cuộn tín hiệu và pha của xung điện thế này cho biết hướng của từ trường. Tần số của tín hiệu bằng hai lần tần số kích thích do sự chuyển trạng thái bão hòa xuất hiện hai lần trong một chu kỳ kích thích. 1.2.6 Sensor hiệu ứng từ trở Hiệu ứng từ trở được đưa ra đầu tiên bởi William Thomson vào giữa thế kỷ 19. Ông thấy rằng từ trường tác động vào vật liệu sắt từ sẽ làm thay đổi điện trở suất của nó. Lượng thay đổi này phụ thuộc mức độ từ hóa và hướng dòng điện chạy qua. Khi cường độ từ trường tăng, thay đổi điện trở suất tăng theo và tiệm cận đến giá trị lớn nhất khi vật liệu bão hòa từ. 1.3 Phân cấp sensor theo khoảng đo Dựa vào khoảng đo thì chúng được chia thành 2 loại chính: Sensor đo từ trường yếu (<1mT) thường được gọi là từ kế (magnetometers). Còn sensor đo từ trường mạnh (>1mT) được gọi là từ kế Gauss (Gaussmeters). Qua bảng phân loại sau ta sẽ thấy rõ điều này: Bảng phân loại sensor đo từ trường theo khoảng đo Các loại sensor đo từ trƣờng Từ kế (B<1mT) Từ kế Gauss (B>1mT) + Hiệu ứng Hall + Diode từ + Transistor từ + Từ trở Vô hƣớng + Proton precession + Bơm quang học Vector + Lõi chọn lọc + Fluxgate + SQUID + Từ trở + Sợi quang học 6 CHƢƠNG 2 - THIẾT KẾ THIẾT BỊ 2.1 Nguyên lí hoạt động của thiết bị Thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ dựa trên nguyên lí Fluxgate được phòng thí nghiệm đã xây dựng theo sơ đồ khối như trên hình 2.1: Hình 2.1: Sơ đồ khối của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ Phần quan trọng nhất của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ là đầu dò (hay Sensor). Muốn cho sensor hoạt động thì cần phải có một tín hiệu dòng xoay chiều đủ công suất để nuôi nó. Do đó, phải cần có khối phát xung. Khối phát xung này có tác dụng tạo ra các xung vuông nhằm cung cấp một công suất cho đầu dò hoạt động. Dạng xung sau khối phát xung này không đều đặn. Mà để tạo ra dạng sóng sine thì ta cần phải có các xung đều đặn. Vì vậy, ta cần phải có khối chia tần để tạo ra các xung vuông có độ trống bằng 1/2. Sau sensor là các khối khuếch đại tín hiệu và khối xử lí. Khối khuếch đại cho phép khuếch đại các tín hiệu từ trường rất nhỏ. Khối xử lí có tác dụng chỉnh lưu tín hiệu xoay chiều thành một chiều. Sau khối xử lí, tín hiệu được đưa ra khối chỉ thị để hiển thị các giá trị cần đo đạc. Nếu cần chính xác cao, tín hiệu sau khối xử lí có thể được ghép nối với PC thông qua bộ chuyển đổi ADC để có thể ghi tự động. Khối ghép nối này có thể sử dụng những thiết bị có sẵn trong các phòng thí nghiệm. 2.2 Khối analog của thiết bị 2.2.1 Khối phát xung Linh kiện chủ yếu của mạch phát xung là các IC 4011, được tạo thành từ các mạch NAND thuộc loại CMOS. Mạch phát xung làm việc ở tần số 10kHz. 2.2.2 Khối chia tần Khối phát xung Chia tần Khối tạo sóng sine Khuếch đại công suất Khuếch đại Xử lý Chỉ thị SENSOR (đầu dò) ADC PC 7 Mục đích của khối chia tần: Hình 2.3 cho thấy xung không đều đặn. Do đó, mục đích của khối chia tần là để tạo ra các xung đều đặn, tức là các xung vuông có độ trống bằng 1/2. Mạch chia tần làm việc ở tần số 2,5kHz. Khối chia tần mà phòng thí nghiệm đã thực hiện ở đây được xây dựng từ hai IC 4013. Qua khối này sẽ thực hiện được hai lần chia tần. 2.2.3 Khối tạo sóng sin và khối khuếch đại công suất Ý nghĩa: Tạo sóng hình sine đơn sắc đủ công suất để nuôi Sensor. Mạch tạo sóng sine và khuếch đại công suất làm việc ở tần số 2,5kHz. 2.2.4 Đầu dò từ trƣờng nhỏ Đầu dò từ trường nhỏ được cấu tạo bởi 2 lá Permaloi, mỗi lá Permaloi có chiều dài 200(mm), chiều rộng 5(mm) và dày 0,03(mm). Hình 2.11: Cấu tạo đầu dò từ trường + Cuộn sơ cấp: Bao gồm 2 cuộn dây được cuốn trên 2 lá permaloi. Các cuộn dây này được cuốn xung đối với nhau. Mỗi cuộn dây gồm 400 vòng, có kích thước 0,08(mm). + Cuộn thứ cấp: Cuộn thứ cấp có 600 vòng dây, kích thước 0,01(mm) bao xung quanh toàn bộ hai lá permaloy và các cuộn dây sơ cấp. Nguyên lí: Để đo đạc các tín hiệu từ trường yếu, ta phải thiết kế sensor có khả năng đặc biệt để phát hiện hài thứ cấp. Ở đây, hai lõi song song nhau được tác động theo hai hướng ngược chiều nhau trong một mạch kích thích trường, có cả một cuộn dây thứ cấp đơn bao quanh. Hai cuộn sơ cấp sẽ mắc xung đối làm triệt tiêu tín hiệu trong trường hợp cân bằng, nhưng lại phát hiện ra pha của hài thứ cấp khi có sự xuất hiện của từ trường ngoài. 2.2.5 Khối khuếch đại tín hiệu Tín hiệu ở lối ra khối khuếch đại: X R = K.X V Trong đó: K là hệ số khuếch đại, X R và X V là các giá trị đầu ra và đầu vào. Công suất đầu ra của mạch khuếch đại lớn hơn công suất đầu vào. Nhờ có khuếch đại, độ nhạy của thiết bị đo được tăng lên rất nhiều lần, cho phép phát hiện được giá trị của các tín hiệu rất nhỏ. 2.2.6 Khối xử lí Thứ cấp Sơ cấp 8 Khối xử lí tín hiệu trong thiết bị sử dụng mạch khuếch đại chỉnh lưu, có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu xoay chiều thu được ở lối ra của khối khuếch đại tín hiệu sang tín hiệu một chiều để dễ dàng chỉ thị và đánh giá. Mạch chỉnh lưu tốt phải là mạch có hiệu suất (tỉ số giữa công suất đầu ra và công suất hữu ích đầu vào) cao, ít phụ thuộc vào tải, độ gợn sóng của điện áp ra một chiều là nhỏ. 2.2.7 Khối chỉ thị Khối chỉ thị hay chính xác là bộ biến đổi Analog – Digital, có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu (sau khối xử lí và khối khuếch đại) từ dạng tương tự sang dạng số để hiển thị lên bảng điện tử dạng số. Có thể chỉ thị bằng đồng hồ hiện số đa năng, hoặc cũng có thể đưa thiết bị phát hiện từ trường nhỏ này ghép nối với máy tính để đo tự động. 2.3 Khối ghép nối máy vi tính Để thuận tiện cho việc quan sát sự thăng giáng của từ trường chúng ta có thể ghi lại kết quả đo vào máy tính thông qua mạch chuyển đổi tương tự - số ADC, kết hợp với phần mềm đọc chương trình đo. Khối ghép nối máy tính giao tiếp với máy tính thông qua cổng USB, phần mềm được viết trên nền Visual Basic. 2.3.1 Phần cứng khối ghép nối Phần cứng của khối ghép nối máy tính bao gồm: + Khối khuếch đại + Khối vi điều khiển + Khối giao tiếp với máy tính + Khối nguồn 2.3.2 Phần mềm đọc chƣơng trình Mã nguồn được viết trên Visual Basic. Sau khi được cài đặt cho máy tính muốn chương trình hoạt động ta cho kết nối mạch ADC với máy tính. 2.3.4 Tính năng của khối ghép nối máy tính Hệ thống ghép nối thiết bị nêu trên cho phép thực hiện phép đo tín hiệu nhỏ từ sensor với các đặc điểm chính như sau: 9 Tần số biến đổi của tín hiệu < 1000 Hz Tốc độ lấy mẫu từ 1ms đến 5000 ms Đo tương quan hai tín hiệu với nhau Biên độ tín hiệu vào  1mV Nguồn nuôi sử dụng nguồn 5V từ máy tính qua ngay cổng ghép nối với máy tính. CHƢƠNG 3 - CẢI THIỆN TỈ SỐ S/N 3.1 Tỉ số tín hiệu trên tạp S/N 3.1.1 Khái niệm tỉ số tín hiệu trên tạp Mục đích của việc nghiên cứu tạp âm là để tìm cách hạn chế nó ở mức thấp nhất so với tín hiệu có ích. Để so sánh tạp âm với tín hiệu, người ta dùng tỉ số S/N (được viết tắt từ chữ Signal/Noise trong tiếng Anh). Tỉ số tín hiệu trên tạp âm được xác định theo biểu thức: 2 ta 2 th ta th X X P P N S  (3.1) Trong đó: P th là công suất của tín hiệu. P ta là công suất của tạp âm. X th là trị hiệu dụng của tín hiệu (U th hoặc I th ). X ta là trị hiệu dụng của tạp âm (U ta hoặc I ta ). 3.1.2 Hệ số tạp âm F Hệ số tạp âm F là tỉ số S/N ở đầu vào với tỉ số S/N ở đầu ra. taVP tar tarthr taVthV P.K P P/P P/P F  (3.2) Hệ số tạp âm thường được tính bằng dexiben (dB). Hệ số tạp âm được dùng để so sánh tạp âm của nhiều bộ khuếch đại với nhau trong cùng những điều kiện như nhau. 3.1.3 Một số loại tạp thƣờng gặp Tạp nhiệt (thermal noise) Tạp nhiệt là nguồn tạp phổ biến nhất trong các linh kiện và thiết bị điện tử. Tạp nổ (shot noise) Nguồn gốc tạp nổ là do sự dao động của dòng hạt tải tự do khi chạy qua một khe hay rào năng lượng. Tạp phát sinh tái hợp (genreration - recombination noise, hay G - R noise) 10 Nguồn gốc tạp phát sinh tái hợp là do các hạt tải tự do bị thăng giáng tự phát bởi các tâm phát sinh tái hợp ơ trong khối và bề mặt vật liệu linh kiện Tạp 1/f (1/f noise or ficker noise) Đây là loại tạp có đặc điểm là mật độ phổ tạp tỷ lệ nghịch với tần số: Tạp thác lũ (avalanche noise) Nguồn gốc tạp thác lũ là do các hạt tải được tăng tốc ở trong điện trường cao va chạm làm phát sinh ra các hạt tải khác (hạt tải thứ cấp). Quá trình này có tính ngẫu nhiên nên tạo ra tạp thác lũ. Tạp bập bùng (burst or popcorn noise) Tạp này có dạng gồm các xung ngẫu nhiên nối tiếp có độ dài thay đổi, độ cao như nhau hoặc khác nhau. Nguồn gốc của tạp bập bùng đến nay vẫn chưa rõ hoàn toàn, có thể là do sự đánh thủng địa phương, do sự bất đồng đều của vật liệu hoặc do các khuyết tật của mạng tinh thể làm sai lệch mạng và tạo nên các tâm bắt với mật độ lớn…. 3.2 Một số phƣơng pháp nâng cao tỉ số S/N 3.2.1 Trùng phùng tín hiệu, loại trừ nhiễu Để hạn chế những ảnh hưởng của nhiễu từ những nguồn khác, người ta sử dụng thêm một đầu thu B. Bên cạnh đó, ta sử dụng phương pháp che chắn không gian kiểu Telescope để chắn cả 2 đầu thu A và B, sao cho nếu có các nhiễu ảnh hưởng đến đầu thu A và B thì nó chỉ có ảnh hưởng nhỏ và không đồng thời. Và sử dụng phép trùng phùng trên cơ sở mạch AND ở lối ra của 2 đầu thu A và B. 3.2.2 Phƣơng pháp lọc tần số Giả sử ta có hai nguồn bức xạ nhiệt với các nhiệt độ T 1 và T 2 tương ứng. Do T 2 > T 1 nên tín hiệu thu từ nguồn T 1 sẽ nhỏ hơn nhiều so với phông tạp nhiễu từ nguồn T 2 . [...]... về một số nguyên lí chuyển đổi tín hiệu điện – từ và về một số loại sensor đo từ trường 2 Nghiên cứu hoạt động, khảo sát các khối chức năng của thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ, được thiết kế, chế tạo tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐH QGHN Đồng thời dùng thiết bị này khảo sát, đánh giá sự thăng giáng từ trường của Trái Đất tại phòng thí nghiệm 3 Nghiên cứu một số giải pháp làm giảm... năng trong thiết bị bằng phần mềm Matlab, mô phỏng phương pháp xử lí tín hiệu dùng cổng Boxcar 5 Đề xuất mạch Boxcar hai cổng (mạch Boxcar kép) áp dụng cho hệ đo tín hiệu nhỏ Nội dung nghiên cứu của luận văn nằm trong phạm vi nội dung đề tài nghiên cứu khoa học trọng điểm của ĐH Quốc Gia Hà Nội, mã số QGTĐ.10.27 về nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ References... (2008), Giáo trình Từ học, NXBĐHQG, Hà Nội 6 Lê Xuân Thê (2006), Dụng cụ bán dẫn và vi mạch, NXBGD, Hà Nội 7 Đỗ Xuân Thụ (1999), Kỹ thuật điện tử, NXBGD, Hà Nội 8 Phạm Quốc Triệu, Phương pháp thực nghiệm Vật lý, Giáo trình khoa Vật lý, trường ĐH Khoa học Tự Nhiên, Hà Nội 9 Phạm Quốc Triệu, Đỗ Gia Tùng (2011), Nghiên cứu cải thiện tỷ số S/N của thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ, Báo cáo tại... với trường hợp khi tín hiệu không qua xử lí Boxcar thì trường hợp có qua xử lí Boxcar cho ta tỉ lệ S/N tăng lên đáng kể Hình 4.8: Mô phỏng tín hiệu sau khi xử lí Boxcar 4.3 Một số kết quả thực nghiệm 15 Phông từ trường đo ngày 11/12/2012 tại phòng thí nghiệm của trung tâm khoa học vật liệu Hình 4.9: Phông từ trường Trái Đất đo ngày 11/12/2012 4.4 Đề xuất mạch Boxcar kép dùng cho hệ xử lí tín hiệu nhỏ. .. trái của đồ thị kể từ λm2, chỉ giữ lại phần bên phải thì ta thấy rõ tỉ số S2/N2 sẽ lớn hơn Thực tế, việc cắt bỏ nói trên được thực hiện bằng các kính lọc tần số thích hợp trước khi cho bức xạ đến đầu thu 3.2.3 Phƣơng pháp Lock-in (chọn pha) Lock-in là một bộ khuếch đại tín hiệu điện xoay chiều, cho tín hiệu ở lối ra là một chiều Nó được ứng dụng để phát hiện và đo tín hiệu xoay chiều nhỏ, có khả năng... hàm u=A.*square(2*pi*F*t) vẽ xung vuông trong trường hợp xung vuông là xung đều đặn (có độ trống bằng 1/2) Trong đó A là biên độ xung, F là tần số của xung 4.2.3 Mô phỏng tín hiệu của mạch tạo sóng sin Tín hiệu sin ở đây là tín hiệu dùng để đưa vào đầu dò (sensor) 13 Hình 4.4: Mô phỏng tín hiệu của mạch phát sóng sin Để mô phỏng được tín hiệu của mạch phát sóng sin ta chỉ cần sử dụng hàm plot để vẽ... “giải pháp nâng cao tỉ số S/N bằng phƣơng pháp Boxcar” dùng phần mềm Matlab 4.2.1 Mô phỏng tín hiệu của khối phát xung Tín hiệu của khối phát xung là xung vuông vì vậy ta có thể mô phỏng một xung vuông tuần hoàn bằng hàm plot vẽ tất các các cặp điểm (x, y) Hình 4.2: Mô phỏng tín hiệu sau khối phát xung 4.2.2 Mô phỏng tín hiệu sau khối chia tần Hình 4.3: Mô phỏng tín hiệu sau khối chia tần Để mô phỏng... máy tính từ đó tìm ra thông số cần đo của yêu cầu bài toán đề ra 17 Hình 4.13: Sơ đồ mạch trừ Khả năng ứng dụng: Mạch này có thể áp dụngcho các hệ xử lí tín hiệu nhỏ, biến đổi tuần hoàn, có quy luật nhằm giảm nhiễu, nâng cao tỉ số S/N KẾT LUẬN Trong bản luận văn này, chúng tôi đã tập trung nghiên cứu một số vấn đề sau: 1 Nghiên cứu tổng quan về một số nguyên lí chuyển đổi tín hiệu điện – từ và về một... sóng sin ta chỉ cần sử dụng hàm plot để vẽ một hàm điều hòa u=A.*(2*pi*F*t) Trong đó A là biên độ sóng sin, F là tần số của sóng 4.2.4 Mô phỏng tín hiệu nhận đƣợc từ sensor Để mô phỏng tín hiệu thu được sau sensor ta sử dụng nguyên lí: Chia nhỏ một tín hiệu bất kì ta sẽ thu được (một cách gần đúng) các tín hiệu dạng sin có tần số và biên độ khác nhau Hình 4.5 mô tả tín hiệu thu được sau sensor Hình 4.5:... chọn khoảng tín hiệu ít nhiễu nhất để thao tác, đo đạc + Dùng hệ nhiều mạch Boxcar ta có thể lấy mẫu tại nhiều thời điểm khác nhau, từ đó có thể tính toán sự suy giảm của đồ thị và tìm ra thông số cần đo Để làm rõ đặc điểm trên của mạch Boxcar ta xét một ví dụ sau: Xét trường hợp tâm bắt điện tử trong bán dẫn loại N của cấu trúc P+ - N (Hệ đo tâm sâu DLTS dùng mạch Boxcar) Kích thích mô ̣t xung điện . SQUID + Từ trở + Sợi quang học 6 CHƢƠNG 2 - THIẾT KẾ THIẾT BỊ 2.1 Nguyên lí hoạt động của thiết bị Thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ dựa. 2.1: Hình 2.1: Sơ đồ khối của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ Phần quan trọng nhất của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ là đầu dò (hay Sensor). Muốn